A folyékony fémek szerkezete és tulajdonságai
Folyékony fémek összesített állapota
Az anyag négy alapállapota: folyékony, szilárd, gáz-halmazállapotú és plazma, amelyek közül az első két folyamatot az öntödei folyamatoknak kell tulajdonítani.
Normál körülmények között a fémszerkezet kristályrács. A kristályt úgy tekintik, mint az atomok helyes halmazát, amely nem feltétlenül azonos jellegű. Mindegyik atom a kristályrács geometriai viszonyának jellege alapján határozza meg helyét, és meghatározza az atom középpontjának átlagos pozícióját (1. ábra).
1. ábra - Kristályrács vasból
Valójában az atom a szomszédos atomok közötti térben hővel vibrál. Ha egy bizonyos pillanatban felmelegszik, a hő rezgések olyan erősek lesznek, hogy az atomok közötti hosszú távú rend megszűnik, és a fém folyékony állapotba kerül.
A folyékony fémek, mint a kristályosodás kezdete fölött kissé túlhevült folyadékok, sokkal közelebb állnak a szilárd testhez, mint a gázokhoz. Ezt több tényező is jelzi:
- Olvadáskor állami funkció anyag (δ H entalpia változás és a változás az entrópiában δ S) változhat egy nagyságrenddel kisebb, mint a megfelelő funkciót állapotban szublimálással (közvetlen átmenet szilárd halmazállapotú állapot), vagy a párolgás során (átmenet folyadék gáz-halmazállapotú).
- Az olvadó fémek fizikai tulajdonságai lényegesen kisebbek, mint szublimáció vagy párolgás közben. Például, a fajlagos térfogata a legtöbb fém nőtt olvasztással 5-10%, míg ugyanabban az időben, ez növeli az elpárologtatási ezerszer. Szilárd fémek közeli hőmérsékleten, hogy az olvadáspont, egy bizonyos folyékonyság, például, amikor gördülő, egy fluid jellemző ellenállás eltolódás (vagy szelet), de normális körülmények között ez nem eléggé hangsúlyos, mert a magas folyóképessége. A gázok gyakorlatilag nem ellenállnak a képződésnek. Az olyan tulajdonságok, mint a mágneses áteresztőképesség, az elektromos vezetőképesség, a hővezetőképesség stb., Fémek megolvasztásánál, bár változóak, de csak néhány százalékkal.
- A megolvadt, alacsony olvadáspontú fémek röntgendiffrakciós vizsgálatai révén a folyadéksugarat csak néhány fokkal felmelegítették, megállapítható, hogy a folyadékok részecskéi nem véletlenszerűen vannak elosztva. A folyadékban való elhelyezkedése közel áll ahhoz, hogy a szilárd anyag olvadása közelében jellemző.
Modern elméletek folyadékok valamilyen módon elegyítettük már létező két szélső pozíció a jellegének az adott folyadékok, és lehetővé teszi a kettős viselkedést funkciók származnak a közbenső helyzetből a folyékony halmazállapot az anyag.
A fémfizikusok, például B. Chalmers úgy vélik, hogy a folyadék olyan atomok és molekulák gyűjteménye, amelyek közepes energiával vibrálnak
3 kT / 2 (K Boltzmann konstans = 1,38, 10-23 J / fok) és átlagos ν. Minden atom belép egy bizonyos kristályszerű alakzatba (klaszterbe), amely véletlenszerűen orientált. A köztük lévő tér egy része maradatlan atomok maradnak. A klaszterek (2. ábra) nagyon gyorsan felbukkannak és azonnal szétesnek, mivel az atomok átjutnak az egyikből a másikba az üres helyek között - köztes üregek. A megjelenés valószínűségét és a szilárd fázis mikrotommói számát a statisztikai fizika törvényei határozzák meg. A folyadék bármely pillanatában jelentős rövid hatótávolságú rend, amikor minden atom egy másikhoz és még sok más szomszédhoz kapcsolódik ugyanúgy, mint egy kristályban.
2. ábra - Klaszter
A folyadék ingadozásainak elméletével összhangban spontán keletkeznek az átlagos koncentrációtól, energiától és sűrűségtől való helyi eltérések, amelyek számát és valószínűségét a statisztikai mechanika törvényei szabják meg.
Hogy ismertesse a konkrét tulajdonságait folyékony olvadékok használt Stewart és Benz elmélet, amely szerint a folyékony komponenseket folyamatosan elpusztult, és a csoportosítás az elemi részecskék, úgynevezett raj vagy sibotaksisami. Ezek a csoportok instabil alakzatok és nincsenek világos határok.
Arkharov és Novokhatsky klasztermodellje szerint az olvadék klaszterek és rendezetlen zónák kombinációja. A klasztereket a központi rész szerkezetének és a peremrészek instabilitásának bizonyos sorrendje jellemzi. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, a klaszterek kisebb méretűre bomlanak, miközben a fém hűtésével együtt élnek.
A Ya.I. általánosan elfogadott elmélet alapértelmezése Frenkel lényege, hogy a szilárd folyadéktól a folyadékig terjedő átmenetet az üres álláshelyek számának gerjesztő növekedése okozza. Ez a részecskék és a folyadék egészének nagyobb mobilitását eredményezi, és megmagyarázza a sok anyag oldhatóságának megugrását, amikor az oldószer olvad. A szükséges felesleges energiát ingadozások biztosítják. A szabadságok (lyukak) 10-10 m nagyságrendűek. Thompson szerint a gömb alakú üregképződésnek egy r sugarú folyadékban való alkotása egyenlő:
A δZ munkája megegyezik a párolgás hőjével. Fontos az a tény, hogy ahhoz, hogy a folyadékot kristályos állapotba alakítsuk, szükségessé válik a fúzió latens hőjének megfelelő hő eltávolítása az átalakulási hőmérsékleten. Ebben az esetben az atomok alacsonyabb potenciális energiával rendelkező helyzetekké alakulnak át, mint a folyadékban. Mindkét esetben mindegyik atom rendelkezik minimális szabad energiával, de a folyadékban ezek a minimumok magasabbak, mint a kristályban.
A legtöbb esetben az olvadék sűrűsége kisebb, mint a kristályé. A germánium, a szilícium, a gallium és a bizmut kristályai kevésbé sűrűek, mint azok olvadékai, és az elasztikus tulajdonságokat kizárólag az atomok rendelése biztosítja.
A folyékony állapot egyéb elmélete is létezik, de egyikük sem teszi lehetővé számunkra, hogy mikroszkopikus tulajdonságait kiszámoljuk a folyadék elemi részecskéinek paramétereiről. Nem adnak magyarázatot olyan jelenségekre, amelyeket egy folyadékban megfigyelnek, például a jelentős túlhűtés lehetőségét.
Hasonlóság folyadékkristályos állapotban van, és elsősorban a természete részecskék közötti kölcsönhatást és termodinamikai tulajdonságai, de van egy alapvető különbség a szerkezet a folyadékok és szilárd anyagok. Ismert véletlenszerűség elrendezésében szemcsék folyékony, és a legtöbb ezek a mobilitás, rodnyaschie cseppfolyós gázok, kombinálva erős részecskék közötti kölcsönhatást, valamint a szilárd. Ez a kombináció olyan tulajdonságok komplexét eredményezi, amely csak az anyag folyékony állapotára jellemző.
sűrűség
A fém sűrűségét a szerkezet lazasága határozza meg. Sűrűség - az egyik alapvető fizikai jellemzői az olvadék, közvetlenül kapcsolódik a felületi feszültség, hőkapacitása, dinamikus viszkozitása, oldáshőjük, stb A folyékony fázis sűrűsége csak valamivel kisebb, mint a szilárd, de ez több nagyságrenddel nagyobb a gáz sűrűsége .. A legegyszerűbb lítium fém sűrűsége 0,53 g / cm 3, és a legnehezebb irídium sűrűsége 22,4 g / cm 3. A vas sűrűsége 7,87 g / cm 3. A legtöbb fémek melegítés hatására szobahőmérsékletről az olvadáspont csökken sűrűség 3-5% vas redukáljuk 7,35 g / cm 3. a folyamat során a olvadási sűrűsége a legtöbb fém csökken néhány% vas - legfeljebb 7,02 g / cm 3. a sűrűség gallium, bizmut, antimon, germánium és szilícium olvadási növeli, hogy a víz, amelyre ez a növekedés körülbelül 11%.
Amikor a folyékony fémeket melegítik, mint szilárd állapotban, a sűrűség csökken. Megfelelő pontossággal a gyakorlatban a következő összefüggést használják:
Az ötvözetek összetételének kiválasztását egy adott sűrűség és a lineáris terjeszkedés együtthatója biztosítja. Ez fontos például a megerősített (különböző anyagokból készült) termékekből, amelyek széles hőmérsékleti tartományban változóak
A gyakorlati jelentősége a fém sűrűsége változások előtt és a kristályosítási eljárás során, hogy meghatározza, a térfogati zsugorodás (vagy növekedés), amely összefüggésbe hozható a zsugorodás üregek, lazasága, nyomás a külső és belső részei tuskó, bugák és öntvények (3. ábra).
3. ábra - Shrink Sink egy ingotban
Az olvadáspont az egyetlen hőmérséklet, amelynél a kristályos szilárd fázis egyensúlyban van a folyadékkal. Tiszta elem vagy tiszta vegyület esetén ez az érték állandó és csak kis mértékben függ a nyomástól.
Jellemzően, az öntött fém túlhevített az olvadási hőmérséklete fölé 100 fok vagy több. Alapján ezt a hőmérsékletet, a forma anyaga van kiválasztva, és üst bélések. Az általánosan használt fémes higany van a legalacsonyabb olvadáspontú - mínusz 39 0 C, és a legmagasabb pillanatban wolfram - 3410 0 C. tiszta vas olvadáspontja 1539 0 C, a réz - át 1083 0 C, alumínium - 660 0 C-on Titanium ötvözetek: 1580-1720 ° C.
Acél 1420-1520 ° C
Öntöttvas 1150-1250 0 С
Bronz 1000-1150 0 С
Sárgaréz 900 - 950 0 С
Alumíniumötvözetek 580-630 0 C
Magnéziumötvözetek 600-650 ° C
Cinkötvözetek 390- 420 0 C
Mivel fázisátalakulások kíséri hőhatás, térfogatváltozás és fázisfeszültségek, azokat figyelembe veszik beállításával optimális hűtése tuskó, bugák és öntvények, valamint figyelembe véve a folyamatok szerkezet kialakulásának és a fázisok elválasztása.
A fémes olvadék viszkozitása a leginkább jellemző szerkezetileg érzékeny tulajdonság, és a részecske kölcsönhatás határozza meg. Ezért ez az index lehetővé teszi az olvadék szerkezetének, az ötvözetek komponensei közötti kölcsönhatás jellegének és erőinek becslését, valamint a szilárd és folyékony állapot közötti összefüggést.
A folyadék viszkozitásának jellemzésére viszkozitási együtthatót vagy belső súrlódást alkalmaznak. dinamikus viszkozitás. Számszerűen egyenlő a két réteg közötti súrlódási erővel, amelynek nagysága egyenlő egy olyan területével, amelynek nagyságrendje egy.
Fémekben a dinamikus viszkozitás növekszik az olvadáspont növelésével. Minden fém esetében a hőmérséklet növekedésével csökken. Az eutektikus összetétel ötvözetei általában alacsonyabb viszkozitásúak. Az ötvözetek összetételéből a viszkozitás változása kétértelműen, összetett módon változik, és attól függ, hogy milyen interpartikuláris kölcsönhatások vannak. A szuszpendált salak vagy oxid részecskék szennyeződését a viszkozitás jelentősen megnövekszik.
Összehasonlító viszkozitás adatok (Pa S):
Víz (25 ° C) - 0,00089;
Acél (1600 ° C) - 0,0050 - 0,0085;
Vas (1600 ° C) - 0,0045 - 0,0050.
A felületi feszültség számszerűen egyenlő a vizsgált anyag és a vákuum közötti határfelületenkénti szabad felszíni energia mennyiségével. Felületi feszültség okoz az acél nedvesíthetőség és adhézió befolyásolja a jellege és mértéke a jet másodlagos oxidációja a fém csapolás során az olvasztókemence, és öntés. A kristályosítási időtartam felszíni jelenségek befolyásolja a felület és a térfogat koncentrációjú komponensek módosítja jelentősen szerkezet kialakulásának, kapilláris anyagátadási kinetika, nukleációs, koaguláció és lebegő a nemfémes zárványok. A határfelületi feszültség a fém-salak határa nagymértékben meghatározza a asszimilációja nemfémes zárványok során képződött deoxidaláshoz, fémfeldolgozás szintetikus salakok és öntési védőgázos atmoszférában.
Ahogy a fém olvadási hőmérséklete nő, a felületi feszültség növekszik. Tehát a higany, a vas és a volfrám esetében egyenlő, N / m: 0,45; 1,8 és 2,5. A folyékony fém 100 ° C-os túlmelegedése mintegy 2-4% -kal csökkenti a felületi feszültséget.
A felületaktív adalékok, amelyek nagyon kis mennyiségben oldódnak az alapfémben, és mereven különböznek a bázistól a tulajdonságaikban, jelentősen csökkenti a felolvadt felületi feszültséget. Így az oxigén 0,1% -a csökkenti a vas felületi feszültségét 1,1 N / m-re, a 0,1% kálium pedig 2-szeresére csökkenti a higany felületi feszültségét.
Olyan tulajdonságokat, amelyek közvetlenül befolyásolják a kívánt minõségû ingot és öntvényeket, öntödéknek nevezik. Ezek olyan fizikai-kémiai tulajdonságok komplexétől függenek, amelyek az olvadék lehűlése során keletkező fázisokban jelennek meg, de ezeket nem teljesen határozzák meg. Öntéssel tulajdonságok közé tartozik a fluiditását, és a kihasználtság a penész, a zsugorodás és a kapcsolódó eljárások különböző hibák, az a tendencia, hogy a hibák keletkezését alapján a nem-fémes és gázzárványok aktivitást kölcsönhatás a környezet és az érintkező anyagok, az elsődleges és másodlagos kristályosodási öntési erőhatásoknak, és a crack ellenállás, kémiai és szerkezeti heterogenitás. Az öntési tulajdonságok legjobb kombinációját nagy mennyiségű eutektikus ötvözetek birtokolják. Az öntöttvas öntési tulajdonságai sokkal magasabbak, mint az acél öntödei tulajdonságai.